摘 要：以命制“熱力學(xué)第一定律”試題為例，多角度探究以物理核心素養(yǎng)為導(dǎo)向的情境化試題命制策略，以期命制出契合學(xué)校特色、滿足高考要求、培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的情境化試題。

關(guān)鍵詞：熱力學(xué)第一定律；物理核心素養(yǎng)；情境化試題；學(xué)習(xí)進(jìn)階理論

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2024）10-0054-4

收稿日期：2024-01-11

作者簡介：卓博洋（1996-），男，中小學(xué)二級教師，主要從事高中物理教學(xué)工作。

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》指出：“學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確的價值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力，物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要由‘物理觀念’‘科學(xué)思維’‘科學(xué)探究’‘科學(xué)態(tài)度與責(zé)任’四個方面構(gòu)成”［1］。同時，在新課標(biāo)、新教材、新高考的“三新”背景下，全國各地物理高考試題亦發(fā)生了較大的變化：增加了反映物理學(xué)科本質(zhì)，密切聯(lián)系社會、經(jīng)濟(jì)、科技、生產(chǎn)生活實際的試題；試題的命制理念從“知識立意”“能力立意”向“價值引領(lǐng)、素養(yǎng)導(dǎo)向、能力為重、知識為基”轉(zhuǎn)變，而承載這些變化的載體就是指向核心ROqFoir6fCGMoG8PdmmTnQ==素養(yǎng)的情境化試題［2］。所謂“情境化試題”，是指考試時給出具體的試題材料背景，這些材料背景構(gòu)成了試題情境，試題情境給考生完成思維任務(wù)或操作活動提供一個統(tǒng)一的平臺，所有考生在這個平臺上展示自己分析問題、解決問題的能力，這類包含情境的試題習(xí)慣上被稱為“情境化試題”［3］。

1 熱力學(xué)第一定律

在新高考背景下，普通高中物理教科書（人教版2019年版）選擇性必修三第三章第2節(jié)“熱力學(xué)第一定律”［4］是高考相關(guān)內(nèi)容，而此內(nèi)容在相關(guān)試卷中，素養(yǎng)指向準(zhǔn)確的情境化試題較少。本文根據(jù)“熱力學(xué)第一定律”的學(xué)習(xí)目標(biāo)和素養(yǎng)指向進(jìn)行試題命制。

物理觀念：知道做功與傳熱在改變系統(tǒng)內(nèi)能上是等價的；知道熱力學(xué)第一定律及表達(dá)式；明確熱力學(xué)第一定律中三個物理量（△U、W、Q）正、負(fù)符號的物理含義，能夠從系統(tǒng)分析的角度來確定其正、負(fù)符號。

科學(xué)思維：能從熱力學(xué)的視角，正確描述和解釋生活中的熱現(xiàn)象；能運用熱力學(xué)第一定律解釋和計算能量的轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移問題。

科學(xué)探究：能以系統(tǒng)為研究對象，用綜合分析的方法推導(dǎo)出熱力學(xué)第一定律；能將真實問題進(jìn)行提煉和簡化，并運用熱力學(xué)第一定律分析和計算。

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：通過熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用，養(yǎng)成與他人合作探究的習(xí)慣，體驗科學(xué)家探究規(guī)律的艱辛與執(zhí)著；通過熱力學(xué)第一定律知識應(yīng)用的實例，感受物理中科學(xué)技術(shù)與社會的緊密聯(lián)系，體會科學(xué)知識的應(yīng)用價值，進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力和科學(xué)意識。

2 情境化試題命制策略

《中國高考評價體系》要求試題命制滿足“一核”“四層”“四翼”，注重試題的基礎(chǔ)性、綜合性、應(yīng)用性與創(chuàng)新性，同時滲透對物理思想與方法的考査［5］。在此標(biāo)準(zhǔn)下，情境化試題命制的過程中應(yīng)該做到：試題難度系數(shù)適中，滿足高考要求，既要考查基礎(chǔ)性知識，也要達(dá)到高考選才標(biāo)準(zhǔn)，同時符合中學(xué)生的思維水平；試題難度梯度合理，能夠由易到難促進(jìn)學(xué)生思維發(fā)展，做到既有基礎(chǔ)，又有綜合，體現(xiàn)創(chuàng)新；試題形式新穎，符合高考命題趨勢，更多采用情境化試題，應(yīng)用性強(qiáng)；試題內(nèi)容呈現(xiàn)上，以必備知識作為載體，體現(xiàn)核心價值，培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)，形成關(guān)鍵能力，最終引導(dǎo)教學(xué)；試題來源豐富，多方面、多角度，包括但不限于典型題型、教材例題、真題改編、情境化原創(chuàng)。以上述要求作為總導(dǎo)，以“熱力學(xué)第一定律”試題命制為例，總結(jié)出以物理核心素養(yǎng)為導(dǎo)向的情境化試題命制的策略（圖1）。

2.1 設(shè)計難度分層，體現(xiàn)試題進(jìn)階性

在情境化試題命制的整個過程中，試題的編排整體應(yīng)該從易到難，從基礎(chǔ)性知識的掌握到方法的應(yīng)用，從簡單情境到復(fù)雜情境，從物理觀念的形成到科學(xué)思維的發(fā)展，從科學(xué)探究的入門升華到科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，從低層次的學(xué)業(yè)水平到高層次的學(xué)業(yè)水平。在“熱力學(xué)第一定律”的試題命制中，試題從熱力學(xué)第一定律的理解出發(fā)，再到該定律的簡單應(yīng)用，最后到綜合性應(yīng)用，同時試題的情境也從理想情境過渡到真實情境。學(xué)生在完成本套試題的過程中會不自覺地掌握本節(jié)課的必備知識，并能夠熟練使用熱力學(xué)第一定律來分析解決生活中遇到的相關(guān)問題。

2.2 鏈接高校標(biāo)準(zhǔn)，體現(xiàn)試題前瞻性

試題命制以及使用除了應(yīng)提高學(xué)生的思維水平，培養(yǎng)核心素養(yǎng)，也要讓學(xué)生在高考中能夠達(dá)到高校選材的標(biāo)準(zhǔn)。針對這一點，在試題命制的過程中，教師需熟悉高校教材對于該知識點的分析與要求，并且能夠?qū)⑵潴w現(xiàn)在試題之中。比如，在2023年6月份的浙江高考物理試卷中，試卷的第19題體現(xiàn)了高校教材中的畢奧-薩伐爾定律。在“熱力學(xué)第一定律”試題命制過程中，挑選了李椿教授的《熱學(xué)（第二版）》中一道思考題，“有人說：‘任何沒有體積變化的過程就一定不對外做功’。對嗎？”將其改編成例1的D選項。這一改編，將高校教材中的思考題改成判斷題，作為一個選擇題的選項，同時變得更加貼近“熱力學(xué)第一定律”這一主題，完美地將高?？疾榈乃枷胝线M(jìn)高中知識體系中。

例1 關(guān)于熱力學(xué)第一定律，下列說法正確的是（ ）

A.一定量氣體吸收熱量，其內(nèi)能一定增大

B.外界對物體做功，同時物體放熱，物體的內(nèi)能可能減小

C.做功和熱傳遞改變物體內(nèi)能的實質(zhì)是相同的

D.氣體體積沒有變化的過程一定不對外做功

這道試題主要培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)中的物理觀念和科學(xué)思維，要求對于所學(xué)的物理概念、規(guī)律及其相互關(guān)系有所了解，能夠?qū)σ话阄锢碇R點進(jìn)行考查。同時，要求能夠分析、推理較為簡單的物理現(xiàn)象或情境，能夠得到結(jié)論，并且能夠進(jìn)行簡單的解釋。

2.3 挑選經(jīng)典習(xí)題，體現(xiàn)試題價值性

經(jīng)典的題目是一代又一代物理教師的智慧結(jié)晶，往往具有典型性和針對性。其所采用的情境具有挑戰(zhàn)性和多變性，具有很大的探究空間，能通過一個問題延伸和拓展到很多物理問題。學(xué)生在完成典型題的過程中能夠以點代面、觸類旁通，利用最少的時間掌握和鞏固物理概念和規(guī)律，發(fā)展科學(xué)思維，提升解決問題的能力，培養(yǎng)物理學(xué)科核心素養(yǎng)。教師也能夠根據(jù)典型題添加最新的情境或者前沿科技，改編出一道高質(zhì)量的習(xí)題。在“熱力學(xué)第一定律”試題命制的過程中，挑選例2這一典型題，該題將經(jīng)典習(xí)題與科幻電影結(jié)合，考查學(xué)生對于壓強(qiáng)本質(zhì)的理解。

例2 科幻電影中經(jīng)常出現(xiàn)飛船漏氣的情況，某同學(xué)將漏氣過程簡化為圖2所示的模型，絕熱容器中間用隔板隔開，左側(cè)裝有氣體，右側(cè)為真空，先將隔板抽掉，讓左側(cè)氣體自由膨脹到右側(cè)直到平衡，在此過程中（ ）

A.氣體對外界做功，溫度降低，內(nèi)能減小

B.氣體對外界做功，溫度不變，內(nèi)能不變

C.氣體不做功，溫度不變，內(nèi)能不變

D.氣體不做功，溫度不變，內(nèi)能減少

本試題主要培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念與科學(xué)思維，能夠應(yīng)用物理知識來解決實際問題。同時，能夠分析及推理常見的物理現(xiàn)象或者物理情境，且能夠獲得結(jié)論并作出解釋。

2.4 捕捉生活瞬間，體現(xiàn)試題真實性

中國高考評價體系創(chuàng)造性地提出高考試題要以情境為載體，要求創(chuàng)設(shè)更具開放性和創(chuàng)新性的試題，綜合考查學(xué)生運用已學(xué)知識解決實際問題的能力。該評價體系要求科學(xué)設(shè)置問題情境，學(xué)生能夠在復(fù)雜、新穎的試題情境下綜合運用所學(xué)知識和技能處理問題。由于試題命制聯(lián)系生活實際，使學(xué)生切身感受到物理能解決生活中的各類問題，了解更多的自然現(xiàn)象，開闊學(xué)生視野，增強(qiáng)學(xué)生對物理學(xué)習(xí)的興趣。情境化試題的命制，可以從日常教學(xué)、創(chuàng)新性實驗、前沿物理、生活偶得等方式來獲得相關(guān)情境。在“熱力學(xué)第一定律”試題命制過程中，以日常生活中偶然看到的氣球直升機(jī)作為情境，編制例3。這類蘊含核心素養(yǎng)的生活小瞬間，是我們命題的好素材。

例3 圖3所示為氣球直升機(jī)，當(dāng)釋放氣球時，氣球里面的氣體通過氣嘴慢慢釋放，同時帶動接口讓螺旋槳旋轉(zhuǎn)起來。若將氣球內(nèi)的氣體視為理想氣體，且氣球內(nèi)氣體的溫度不變，則在氣球直升機(jī)上升的過程中（ ）

A.氣球?qū)ν饨缱龉?，所做功全部轉(zhuǎn)化為直升機(jī)動能，氣球內(nèi)氣體內(nèi)能變小

B.氣球?qū)ν饨缱龉?，所做功全部轉(zhuǎn)化為直升機(jī)動能，氣球內(nèi)氣體內(nèi)能不變

C.氣球?qū)ν饨缱龉?，所做功部分轉(zhuǎn)化為直升機(jī)動能，氣球內(nèi)氣體內(nèi)能變小

D.氣球?qū)ν饨缱龉?，所做功部分轉(zhuǎn)化為直升機(jī)動能，氣球內(nèi)氣體內(nèi)能不變

本題目標(biāo)為培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)中的物理觀念、科學(xué)思維以及科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，學(xué)生能夠應(yīng)用物理知識來解決實際問題，并且能夠分析和推理常見的物理現(xiàn)象或者物理情境，且能夠獲得結(jié)論并作出解釋。

2.5 立足教材素材，體現(xiàn)試題創(chuàng)造性

在新教材、新高考的背景下，高考內(nèi)容往往會體現(xiàn)新教材中新的內(nèi)容以及方法。教材是課程標(biāo)準(zhǔn)的主要載體，是教學(xué)的出發(fā)點和落腳點。新教材中所收錄的經(jīng)典例題、插圖，經(jīng)過了反復(fù)論證和推敲，明確指向核心素養(yǎng)。教師在編制情境化試題的過程中，除了直接套用或者簡單改編教材例題外，還可以提取例題所想要培養(yǎng)的物理思想，根據(jù)這一思想來編制情境化試題，如例4。本題為一道原創(chuàng)題，但是其中所蘊含的等效替代的思想來源于2019年人教版高中物理教科書選擇性必修三第三章第2節(jié)的例題。教材在此例題中用一個恒力來等效替代變力做功，本題也采用同樣的方式。在本試題的命制過程中，先通過積分計算出在等溫情況下變力所做的功（以此保證數(shù)據(jù)的正確性），再等效替代成恒力做功，通過這種等效替代來培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

例4 某探究小組根據(jù)空氣炮的原理設(shè)計了一個空氣炮的模型，其原理如圖4所示。在水平面上放置的圓柱形容器內(nèi)用模截面積S=4 cm2、質(zhì)量m=20 g的活塞封閉一定質(zhì)量的理想氣體，活塞能無摩擦滑動。開始時活塞與容器底的距離L=0.5 m，在外力F的作用下活塞緩慢壓縮氣體，在某段時間內(nèi)移動的距離為l=0.4 m，這段時間作用在活塞上的外力逐漸增大，其做功相當(dāng)于40 N的恒力使活塞移動相同距離所做的功，如圖5所示。在壓縮過程中氣體的溫度保持不變，取大氣壓強(qiáng)p0=1×105 Pa，忽略活塞厚度，求：

（1）壓縮過程中氣體內(nèi)能的改變量ΔU1。

（2）壓縮過程中氣體與外界的傳遞熱量Q1是吸熱還是放熱？

（3）撤去外力F，活塞在高壓氣體作用下被彈出容器，彈出過程可以看作是絕熱過程，當(dāng)活塞在容器口處時，氣體的內(nèi)能改變了U2=-25 J，問此時活塞的速度為多少？

本試題全方面培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。學(xué)生在完成這道試題的過程中能夠應(yīng)用物理知識來解決實際問題、分析和推理常見的物理現(xiàn)象或者物理情境，且能夠獲得結(jié)論并作出解釋。同時，學(xué)生能夠用等效替代的思維將變力做功轉(zhuǎn)化為恒力做功，借助分析相關(guān)事實或者結(jié)論，從而提出可探究的物理問題，進(jìn)而得到有依據(jù)的猜想與假設(shè)。

3 結(jié) 語

一道高質(zhì)量的試題，既具有典型性和針對性，同時還能聯(lián)系生活實踐，滲透物理學(xué)史，具有豐富的情境，學(xué)生在完成試題過程中培養(yǎng)物理核心素養(yǎng)。本文以課堂作業(yè)情境化試題命制為研究主題，以命制“熱力學(xué)第一定律”試題為實踐，探究情境化試題的命題策略，以期命制出契合學(xué)校特色、滿足高考要求、培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的情境化試題。

參考文獻(xiàn)：

［1］中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）［S］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］教育部考試中心.中國高考評價體系說明［M］.北京： 人民教育出版社，2019.

［3］尹慶豐.“情境化試題”對高中物理教學(xué)的啟示［J］.物理教師，2019，40（9）：31-35.

［4］彭前程，黃恕伯.普通高中教科書物理選擇性必修第三冊（第一版）［M］.北京：人民教育出版社，2019.

［5］王理想.真實情境為載體的試題命制分析與教學(xué)啟示［J］.物理通報，2023（10）：35-38.

（欄目編輯 陳 潔）